TRAVAUX DIRIGES TRAVAUX PRATIQUES

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1 Génétique des populations Qu'est-ce que la génétique des populations? Discipline qui étudie la transmission de l'information héréditaire et son utilisation dans le développement et le fonctionnement des organismes. Comment et pourquoi l'information génétique évolue au cours du temps, au sein des espèces et des populations? Pour répondre à ces questions on étudiera : La diversité génétique et son évaluation dans les populations.principe de Hardy-Weinberg. Application du principe de Hardy-Weinberg. Les écarts à la panmixie. Les forces évolutives : Mutation, migration, sélection et dérive OUVRAGES Ouvrages spécialisés Henry, JP et PH Gouyon Précis de Génétique des Populations avec exercices corrigés, Dunod Serre, JL Génétique des Populations, Nathan Hartl, DL Génétique des Populations, Flammarion Ouvrages généraux Ridley, M Evolution Biologique, De Boeck Gouyon PH et coll Les Avatars du Gène, Belin Griffiths, AJF, Gelbart, WM, Miller, JH & Lewontin, RC Analyse Génétique Moderne. De Boeck Université COURS : Chapitre 1: Définition, Objectifs et Applications Variabilité génétique dans les populations naturelles Chapitre 2 : Équilibre de Hardy Weinberg Chapitre 3 : Les croisements non panmictiques Chapitre 4 :Changements de fréquence génique : A - Facteurs dispersifs : Dérive et consanguinité systématique B - Facteurs systématiques La sélection : modèle de base Les mutations et la théorie neutraliste Migration et division des populations Génétique quantitative A) Variation continue des caractères quantitatifs B) Principe fondamental de la génétique quantitative C) Notion d héritabilité Domaines d'applications Génétique et amélioration des plantes et des productions animales: sélection artificielle (dirigée par l'homme) Médecine: génétique des maladies multifactorielles (diabète type II, pression artérielle ) Ecologie évolutive: génétique des caractères adaptatifs, étude de l'évolution et de la sélection naturelle TRAVAUX DIRIGES TRAVAUX PRATIQUES Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 1

2 Génétique des Populations Chapitre 1: Définition, Objectifs et Applications La génétique initiée par Gregor Mendel, appelée classiquement g é n é t i q u e m e n d é l i e n n e, a pour objectif de comprendre le déterminisme et la transmission des caractères par l'analyse de la descendance d'un croisement contrôlé entre individus de génotypes différents. Après la découverte du support de l'information génétique (ADN), la g é n é t i q u e m o l é c u l a i r e continue à rechercher les mécanismes fins du déterminisme, de l'expression et de la transmission des caractères. La compréhension du déterminisme et de la transmission des caractères doit aussi étudier les individus dans les conditions naturelles où ils sont génétiquement uniques et libres de se reproduire avec n'importe quel autre individu de la même espèce. Cette partie de la génétique, qui considère les individus en interactions avec leur environnement, est l a g é n é t i q u e d e s p o p u l a t i o n s. A) Définitions et objectifs La génétique des populations étudie la variabilité génétique présente dans et entre les populations avec 3 principaux objectifs : 1 - m e s u r e r l a v a r i a b i l i t é g é n é t i q u e, a p p e l é e a u s s i d i v e r s i t é g é n é t i q u e, p a r l a f r é q u e n c e d e s d i f f é r e n t s a l l è l e s d u n m ê m e g è n e. 2 - c o m p r e n d r e c o m m e n t l a v a r i a b i l i t é g é n é t i q u e s e t r a n s m e t d ' u n e g é n é r a t i o n à l ' a u t r e Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 2

3 3 - c o m p r e n d r e c o m m e n t e t p o u r q u o i l a v a r i a b i l i t é g é n é t i q u e é v o l u e a u f i l d e s g é n é r a t i o n s. Si la génétique mendélienne se base sur des croisements contrôlés par un expérimentateur, la génétique des populations étudie les proportions des génotypes au sein d'un ensemble d'individus issus de croisements non contrôlés entre de nombreux parents. C'est donc une application des principes de base de la génétique mendélienne à l'échelle des populations fig.1. fig.1 B) Qu'appelle-t-on population? Une population est l'ensemble des individus de la même espèce qui ont la possibilité d'interagir entre eux au moment de la reproduction. Exemples :- Eléphants d un parc national africain -Les chênes d une zone forestière -Les individus d une espèce de parasite intestinal, présent chez un seul individu hôte II-Variabilité génétique dans les populations naturelles Une particularité du monde vivant est la variabilité des phénotypes individuels. A l'intérieur d'une espèce, il n'existe pas 2 individus Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 3

4 ayant exactement les mêmes caractéristiques phénotypiques: l'individu est unique. Certaines de ces variations s'expriment au niveau phénotypique (morphologie, physiologie, comportement, etc.) mais les autres restent "cachées" et leur mise en évidence nécessite l'utilisation de techniques adaptées (variabilité des protéines ou des séquences d'adn). Les variations du phénotype (P) sont dues pour une partie à des facteurs environnementaux (E) (alimentation, climat, interactions avec les autres espèces, etc.) et pour d autre partie à des différences entre les génotypes individuels, transmissibles à la descendance (G) cette partie sera développer en génétique quantitative. A)Déterminisme des variations : notion de polymorphisme La génétique des populations s'intéresse principalement à la variabilité d'origine génétique présente dans les populations et que l'on désigne sous le nom de polymorphisme. (couleur, forme, d'adn présente une variation de séquence correspondant à plusieurs formes alléliques, etc) Par opposition, on appelle monomorphes les gènes qui ne présentent pas de variabilité (un seul allèle présent dans la population). 1) Déterminisme épigénétique Lorsque la variabilité d'un caractère n'a aucune base génétique, c'est à dire ne fait pas intervenir de modification de séquence d'adn, elle est qualifiée de variabilité épigénétique. Cette variabilité résulte souvent de l'action des facteurs environnementaux sur l'expression phénotypique d'un caractère (température, alimentation, physicochimie de l'environnement, etc.). 2) Déterminisme génétique La variabilité d'un caractère est déterminée génétiquement lorsqu'elle est due, au moins en partie, à la présence de plusieurs formes alléliques dans la population. Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 4

5 Dans certains cas, la variabilité phénotypique est due à la variation d'un seul gène = déterminisme monogénique. Cela ne veut pas dire que le caractère est contrôlé par un seul gène mais que la variation d'un seul de ces gènes est suffisante pour entraîner une variation phénotypique. On parle alors de caractères mendéliens. Chez l'homme, environ 5000 caractères mendéliens sont connus. Dans d'autres cas, la variabilité d'un caractère est déterminée par un grand nombre de gènes ayant chacun plusieurs allèles. On parle de déterminisme polygénique. C'est le cas de tous les caractères quantitatifs qui font l'objet d'une mesure comme la taille, le poids, etc. L'analyse génétique de ces caractères relève de la génétique quantitative qui sépare les effets des gènes en effets additifs A, effets de dominance D, effet d'épistasie ou d'interaction entre gènes I: G = A + D + I B) Étendue et méthodes d'étude de la variabilité Historiquement, la recherche des variations génétiques dans les populations naturelles a concerné des caractères directement accessibles à l'observateur (morphologie, couleur, etc). Le développement des techniques de biochimie, cytogénétique et de biologie moléculaire ont permis d'étudier la variabilité génétique à des échelles plus fines, jusqu'au niveau de la séquence d'adn, permettant même l'étude du polymorphisme des régions non codantes. 1) Polymorphisme morphologique C'est le polymorphisme de taille, de forme, de couleur etc. La variabilité génétique de la couleur de certaines espèces, appelée polychromatisme, est certainement l'un des polymorphisme qui a été le plus étudié. Un exemple célèbre est la variation de la couleur et de l'ornementation de la coquille de l'escargot du genre Cepaea. En un même endroit coexistent plusieurs formes phénotypiques déterminées par plusieurs gènes polymorphes: des escargots à coquille rose, jaune ou brune, et des escargots sans bande et avec bandes dont le nombre varie entre 1 et 5. Figure 2 Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 5

6 Fig.2 2) Polymorphisme des protéines a)polymorphisme enzymatique Depuis les années 1960, la variabilité des protéines est étudiée par électrophorèse. Les protéines sont des molécules chargées qui se déplacent dans un support poreux (gel d agarose, d amidon, de polyacrylamide, d'acétate de cellulose) lorsqu elle celui-ci est soumis à un champ électrique. Figure 3 Fig.3 La vitesse de migration dépend de la charge globale de la protéine, de sa taille et de sa conformation. Toute mutation dans la séquence d'un gène codant pour une protéine peut modifier le sens d'un codon, altérer la séquence d'acides aminés donc la charge électrique de la protéine et sa vitesse de migration. Ce changement de structure primaire peut être détecté par électrophorèse qui sépare les Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 6

7 variants protéiques ayant des vitesses de migration différentes appelées souvent F (fast) et S (slow). La mise en évidence de différents allèles d'un même gène est possible pour les enzymes grâce à la spécificité de la réaction enzyme-substrat visualisée par une réaction colorée. L'existence de variations génétiques à un locus donné est détectée par la présence de différents niveaux de migration dans le gel d'électrophorèse, qui sont associés à des allèles différents appelés allozymes. fig.4 Fig.4 Représentation schématique d'un gel d'électrophorèse pour différents systèmes génétiques : a) cas d'une protéine monomérique codée par un gène à deux allèles (F = Fast et S = Slow); b) cas d'une protéine monomérique codée par un gène à trois allèles (V = very Fast, F = Fast et S = Slow); c) cas d'une protéine dimérique codée par un gène à deux allèles (F = Fast et S = Slow) ou les hétérozygotes sont représentés par 3 bandes.fig.5 Fig.5 Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 7

8 b) Polymorphisme immunologique La variabilité de certaines protéines peut être étudiée par des techniques d'immunologie. Classiquement, il s'agit de mesurer la spécificité et l affinité des réactions antigènes-anticorps lorsque l'on fait réagir un anticorps, produit contre un antigène défini, avec des antigènes d origines variées (hétérologues). Chez l homme, le polymorphisme immunologique le plus étudié est celui des antigènes présents à la surface des globules rouges dont les plus connus sont le système ABO, le système rhésus (allèle Rh+ dominant sur Rh ), le système MN (M et N codominants). Pour le système ABO, les allèles A et B sont codominants entre eux et tous les deux dominants sur l'allèle O ce qui donne la typologie antigènes/anticorps suivante : Génotype Antigène Anticorps I A I A I A I O Groupe A I B I B I B I O Groupe B I A I B I O I O Anti B Anti A Groupe AB Groupe OO Ni anti A, ni anti B Receveur universel Anti B, anti A Donneur universel De fortes variations géographiques existent pour les fréquences des allèles du système ABO à l'échelle des continents.fig6 Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 8

9 Fig.6 3) Polymorphisme chromosomique Ce polymorphisme peut être dû soit à une variation du nombre des chromosomes (euploïdie, aneuploïdie) soit à un changement de leur structure (délétion, duplication, inversion, translocation). Par exemple, chez une graminée Dactylis glomerata, il existe plusieurs catégories d'individus, certains étant diploïdes c'est-à-dire ayant 2N chromosomes, d'autre tétraploïdes à 4N chromosomes.fig.7 Fig.7 Un autre exemple de polymorphisme chromosomique bien connu est celui des inversions chromosomiques observées chez la drosophile américaine Drosophila pseudoobscura. De très nombreuses inversions différentes ont été observées chez cette espèce de Drosophile. Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 9

10 fig.8 4) Polymorphisme de l'adn Les techniques issues de la biologie moléculaire permettent de rechercher des variations dans les séquences nucléotidiques de l'adn et sont de plus en plus utilisées pour étudier le fonctionnement génétique des populations. Parmi l'ensemble des techniques disponibles, il faut distinguer celles qui permettent de mettre en évidence une variabilité dispersée dans tout le génome. Les marqueurs révélés sont alors multi locus et dominants. D'autres techniques permettent de révéler une variabilité à des endroits plus limités du génome. Les marqueurs sont souvent qualifiés de mono locus et souvent codominants. Il faut également distinguer parmi ces techniques celles qui nécessitent uniquement une extraction de l'adn des individus étudiés de celles qui nécessitent une amplification in vitro d'une portion définie d'adn par PCR (polymerase chain reaction). Exemple de marqueurs moléculaires utilisés en génétique des populations : Polymorphisme RFLP (Restriction fragment Length Polymorphism) et PCR-RFPL. Figure 9 Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 10

11 Fig.9 C) Mesure de la diversité génétique Fréquences alléliques et fréquences génotypiques Lorsqu'une population est polymorphe pour un caractère donné, il est possible de calculer la fréquence des phénotypes observés. Par exemple dans une population de N individus dont Nn ont le corps noir et Nb le corps blanc, les fréquences phénotypiques de la population pour le caractère couleur du corps sont les suivantes : fréquence du phénotype noir f[n] = Nn/N fréquence du phénotype blanc f[b] = Nb/N Si ce caractère est gouverné par un gène à deux allèles A et a autosomaux, avec a récessif responsable de la couleur blanche, les génotypes AA et Aa correspondent au phénotype noir et le génotype aa au phénotype blanc. Les fréquences phénotypiques permettent alors uniquement de connaître la fréquence du génotype aa puisque parmi les individus noirs, on ne peut pas distinguer les génotypes AA des génotypes Aa. La fréquence des allèles A et a ne peut également pas être calculée. Si la couleur du corps des individus présente non plus 2 mais 3 phénotypes (noir, jaune et blanc) gouvernés par un couple d'allèles A 1 et A 2 autosomaux et codominants, les trois génotypes possibles A 1 A 1, A 1 A 2 et A 2 A 2 peuvent être distingués puisqu'ils correspondent à des Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 11

12 phénotypes différents (respectivement noir, jaune et blanc). La composition phénotypique de la population correspond alors à sa composition génotypique et si on appelle Nn, Nj et Nb les nombres d'individus présentant les phénotypes noir, jaune et blanc, on peut facilement calculer les fréquences génotypiques dans cette population : f(a 1 A 1 ) = Nn/N = D f(a 1 A 2 ) = Nj/N= H f(a 2 A 2 ) = Nb/N = R Ainsi, pour un locus donné, une population est complètement décrite si l'on connaît la fréquence de chacune des catégories génétiques. Dans le cas d'un système diallélique A et a, la structure d'une population d'effectif N est complètement connue si l'on connaît les effectifs N AA de AA, N Aa de Aa et N aa de aa avec N = N AA + N Aa + N aa à partir desquels on calcule les fréquences relatives des trois génotypes. A partir des fréquences génotypiques, il est facile de calculer les fréquences alléliques dans la population, c'est à dire les fréquences des différents états alléliques du locus considéré. Dans le cas d'un gène autosomal à deux allèles A et a, la fréquence de l'allèle A est le rapport du nombre d'allèles A au nombre total d'allèles à ce locus, soit 2N pour une population de N individus diploïdes: - les N AA individus AA sont porteurs de deux allèles A - les N Aa individus Aa d'un allèle A et d'un allèle a - les N aa individus aa de deux allèles a. Le nombre d'allèles A dans la population est donc 2N AA + N Aa. Les fréquences p et q des allèles A et a sont alors les suivantes: f(a)= = (2 N AA + N Aa )/2N f(a )= q = (2N aa + N Aa )/2N avec p + q = 1 Autrement dit si D et R sont les fréquences des homozygotes AA et aa, H la fréquence des hétérozygotes Aa, les fréquences alléliques peuvent aussi être calculées à partir des fréquences génotypiques : f(a) = p = D + H/2 f(a) = q = R + H/2 Ces fréquences p et q représentent également une estimation de la probabilité qu'un gamète mâle ou femelle porte l'allèle A ou l'allèle a. Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 12

13 Il est important de noter que les fréquences alléliques comportent moins d'information que les fréquences génotypiques car on perd la manière dont les allèles sont associés 2 à 2 dans les génotypes individuels. Exemple : du groupe sanguin MN chez l'homme L examen de 730 aborigènes australiens a donné les résultats suivants : Groupe sanguin Génotype Nombre Fréquence [M] MM [MN] MN [N] NN Les fréquences alléliques calculées par les deux méthodes sont les suivantes: Génétique des populations Chapitre 1 SV5 Page 13